Strategjia kryesore e informatikës kuantike pëson pengesa serioze

Në vitin 2018, studiuesit në ballë të një qasjeje krejtësisht të re për ndërtimin e kompjuterëve kuantikë publikuan, në revistën Nature, atë që dukej të ishte një arritje historike. Kompjuterët kuantikë ekzistues janë jashtëzakonisht të brishtë, bitet e tyre kuantike – kubit – janë të prirur për të shkaktuar gabime të rastësishme. Por nëse kubitët mund të bëhen nga konfigurime të çuditshme të elektroneve me emrin ekzotik të kuazigrimcave të modalitetit zero Majorana (MZM), gabimet thjesht nuk mund të ndodhin. Një kubit MZM nuk mund të pësojë më një gabim të rastësishëm sesa mund t’i ndani lidhjet e një zinxhiri pa i prerë ato – parimet bazë të topologjisë, matematika e formës, mbron kundër tij.

Këto kubite “topologjike” janë jashtëzakonisht të vështira për t’u ndërtuar, por pavarësisht sfidave teknike, disa studiues janë të bindur se ato janë e vetmja rrugë për të ndërtuar një kompjuter kuantik të dobishëm me qindra ose mijëra kubit. Microsoft, për një, po vendos strategjinë e tij kryesore të llogaritjes kuantike në kubitët topologjikë.

Kjo është një arsye pse letra Nature 2018 tërhoqi kaq shumë vëmendje. Një ekip i udhëhequr nga Leo Kouwenhoven, një fizikant në Universitetin e Teknologjisë Delft në Holandë, tha se ata kishin gjetur nënshkrimin përfundimtar të kuazigrimcave MZM në nanotelat antimonid indium. Punimi i tyre u shpall, me shumë bujë në shtyp, si fillimi i llogaritjes kuantike topologjike. Në vitin 2019, Microsoft hapi laboratorin e vet kuantik në kampusin e Delft, me Kouwenhoven si drejtor.

Më pas gjërat filluan të prisheshin. Më vonë atë vit, Sergey Frolov, një fizikant në Universitetin e Pitsburgut, dhe bashkëpunëtori i tij Vincent Mourik nga Universiteti i Uellsit të Ri Jugor në Australi, po bënin punë të ngjashme në laboratorët e tyre. (Të dy Frolov dhe Mourik janë ish-anëtarë të grupit të Kouwenhoven.) Frolov dhe Mourik zbuluan se nuk mund të riprodhonin rezultatet e Delft. Atë tetor dyshja pyeti grupin e Kouwenhoven për të dhënat e tyre të papërpunuara dhe në dhjetor ata gjetën disa mospërputhje të çuditshme: dukej sikur disa nga komplotet ishin manipuluar dhe pretendimet e gazetës nuk u vërtetuan kur u mor gama e plotë e matjeve. nepermjet llogarise.

Përballë këtyre problemeve, grupi i Kouwenhoven ripërpiloi të dhënat e tyre dhe zbuloi se përfundimet nuk qëndronin më. Në mars 2021, me kërkesë të Kouwenhoven, Nature e tërhoqi letrën. Grupi shkroi në tërheqjen e tyre se ata “nuk mund të pretendonin më vëzhgimin e një përçueshmërie të kuantizuar Majorana”. Ata shtuan një falje “për ashpërsinë e pamjaftueshme shkencore në dorëshkrimin tonë origjinal”.

Incidenti shkaktoi një hetim nga një komitet i pavarur. Hetimi arriti në përfundimin se nuk kishte prova për fabrikim apo manipulim të të dhënave mashtruese. Autorët thjesht e kishin mashtruar veten duke zmadhuar vetëm rezultatet që u tregonin atyre atë që ata shpresonin të shihnin. “Programi kërkimor që autorët parashtruan është veçanërisht i prekshëm ndaj vetë-mashtrimit dhe autorët nuk u ruajtën nga kjo,” shkruajnë autorët e raportit.

“Ishte një incident fatkeq i zellshmërisë së tepërt të kombinuar me të qenit i pakujdesshëm,” tha Patrick Lee, një fizikant në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts dhe një anëtar i komitetit.

Tërheqja, së bashku me shembuj të tjerë të profilit të lartë të kohëve të fundit të punës së lidhur që u shpërbë nën një inspektim më të afërt, ka ekspozuar një sfidë shtesë në zemër të kërkimit topologjik të informatikës kuantike: Jo vetëm që është jashtëzakonisht e vështirë të ndërtosh një kubit topologjik, por askush. është e sigurt se si të dallosh edhe një. Rregullat kuantike që çojnë në kuazigrimcat MZM gjithashtu lejojnë krijimin e gjendjeve të tjera të çuditshme kuantike – shtete që imitojnë grimcat Majorana, por nuk mund të përdoren si bazë për një kompjuter kuantik.

Për shkak të këtyre dhe pengesave të tjera, fusha e llogaritjes kuantike topologjike ka hyrë në një periudhë vetë-reflektimi, nëse jo krizë të plotë. “Jam bërë i shqetësuar se, pas një serie fillimesh të rreme, një pjesë e konsiderueshme e fushës Majorana po mashtron veten,” shkroi Frolov në një koment në Nature në prill. Megjithatë, pavarësisht këtij problemi, edhe kritikët e fushës e shohin shkencën shumë premtuese për ta injoruar. “Fizika pas krijimit të Majoranas është kuptuar mirë teorikisht,” tha Frolov gjatë një diskutimi në internet. “Zakonisht kur kjo ndodh në fizikën e lëndës së kondensuar, realizimi fizik nuk është shumë prapa. Jam shumë i sigurt se brenda dy viteve të ardhshme, një ose më shumë grupe do të gjejnë prova të forta për ta.”

Modalitetet zero Majorana ilustron mënyrën se si elektronet në materialet përçuese mund të maskohen si lloje të ndryshme grimcash, me ngarkesë, masë, lëvizshmëri dhe sjellje kolektive të ndryshme. Ato janë “grimca efektive emergjente të bëra nga elektrone”, tha Charlie Marcus, një fizikant në Institutin Niels Bohr dhe drejtor i laboratorit kuantik të Microsoft në Kopenhagë. Është më shumë se si ne mund ta përshkruajmë aktivitetin ekonomik si ndërveprime të kompanive të tëra dhe jo të njerëzve që i përbëjnë ato.

Ndoshta shembulli më i njohur i një kuazigrimcash elektronike është ajo përgjegjëse për superpërcjellshmërinë, ku disa metale dhe materiale të tjera në temperatura shumë të ulëta përcjellin elektricitetin me rezistencë zero. Në gjendjen më të thjeshtë superpërcjellëse, elektronet duket se çiftëzohen si të ashtuquajturat kuazigrimca të çiftit Cooper. Edhe pse ato mund të jenë gjerësisht të ndara në hapësirë, elektronet në një çift Cooper veprojnë si një grimcë e vetme ndërsa lëvizin nëpër material. Ky çiftim ka një pasojë vendimtare: çiftet e bakrit mund të zënë të gjithë të njëjtën gjendje kuantike me energji më të ulët, të ndarë nga gjendja tjetër nga një hendek energjie që kuazigrimcat nuk mund ta kalojnë. Si rezultat, çiftet e Cooper nuk mund të shpërndahen lehtësisht në një gjendje të ndryshme kuantike nga përplasjet me atomet në rrjetën kristalore të materialit, kështu që ata lëvizin pa asnjë rezistencë. Ju mund të thoni se kuazigrimcat janë bërë nga elektrone që mbrohen nga shpërndarja.

MZM-të janë një lloj tjetër kuazigrimcash elektronike. Ata parashikohet të shfaqen në një material, si një gjysmëpërçues, që ka një hendek energjie kur elektronet çiftëzohen në një mënyrë tjetër. Një nga sistemet më të thjeshta të parashikuara për të treguar këtë sjellje, i propozuar për herë të parë nga fizikani Alexei Kitaev në fillim të viteve 2000, është një zinxhir elektronesh njëdimensionale. Në temperatura shumë të ulëta elektronet mund të çiftohen me fqinjët e tyre për t’u bërë superpërçues. Por elektronet në çdo skaj të zinxhirit kanë vetëm gjysmën e partnerëve. Ato bëhen dy gjysma të një kuazigrimce të vetme, të ndara gjerësisht në hapësirë. Kjo kuazigrimcë mund të mendohet si ekzistuese pikërisht në mes të hendekut energjetik, me energji saktësisht zero – pra “modaliteti zero”.

Pika thelbësore për kuazigrimcat me modalitet zero është se secila prej tyre përbëhet nga gjendjet e elektroneve në të dy skajet. Pra, nuk mund të zbuloni asgjë për të, ose ta shqetësoni atë, duke hetuar vetëm një fund. Nëse të dy gjendjet fundore mund të bashkoheshin disi në hapësirë, ato do të shkriheshin për të prodhuar ose një elektron ose asgjë – një gjendje vakum. Ndërsa janë të ndara, ato janë në një lloj mbivendosjeje kuantike të të dy gjendjeve. Pra, një MZM mund të veprojë si një bit me dy gjendje për kodimin e informacionit kuantik: një kubit.

Fakti që dy gjysmat e një kuazigrimceje MZM nuk mund të shkrihen në asgjë – një vakum bosh – është për emrin e tyre. Ky vetëasgjësim është si ai i një çifti grimcash dhe antigrimcash, vetëm se këtu të dy anëtarët e çiftit janë identikë. Grimcat hipotetike themelore që janë antigrimcat e tyre u propozuan si një mundësi nga fizikani italian Ettore Majorana, duke punuar në grupin e Enrico Fermit në Romë, në vitin 1937. Asnjë grimcë e tillë nuk është parë ndonjëherë. MZM-të janë ekuivalenti i tyre i thuaj grimcave, duke ilustruar se si sjelljet e grimcave që shihen ose sugjerohen në fizikën me energji të lartë po shfaqen tani në materialet e rregulluara nga ligjet kuantike.

Problemi është, jo vetëm që askush nuk ka bërë ndonjëherë një kubit MZM, askush nuk ka treguar bindshëm ekzistencën e qoftë edhe një kuazigrimcë të vetme MZM.